Σχεδιασμός και κατασκευή μονοθέσιου αγωνιστικού οχήματος προδιαγραφών Formula SAE

Abstract

Η παρούσα εργασία περιγράφει τον σχεδιασμό και την κατασκευή ενός αγωνιστικού μονοθέσιου αυτοκινήτου, που έγινε με σκοπό την επιτυχή συμμετοχή στο διεθνή διαγωνισμό Formula Student. Ο διεθνής αυτός διαγωνισμός έχει ιστορία 30 ετών. Ξεκίνησε από τις ΗΠΑ, από τη SAE (Society of Automotive Engineers) , απευθυνόμενος σε ομάδες φοιτητών πολυτεχνείων, για να εξελιχθεί σε ένα παγκόσμιο γεγονός που διεξάγεται σε 8-10 χώρες κάθε χρόνο συγκεντρώνοντας πάνω από 500 συμμετοχές. Οι περισσότερες μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες, παρέχουν σημαντικές χορηγίες στα πολυτεχνεία των χωρών τους. Η ομάδα του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου δημιουργήθηκε το 2008 και πήρε την τελική μορφή της το 2010. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός αγωνιστικού μονοθέσιου προδιαγραφών Formula Student εστιάζει στη δημιουργία ενός απλού, εργονομικού, χαμηλού βάρους και υψηλών επιδόσεων οχήματος. Η συμμόρφωση με τους κανονισμούς της SAE είναι απαραίτητη και αποτελεί σημαντικό κομμάτι του εγχειρήματος. Ταυτόχρονα στόχοι όπως η ασφάλεια, η ευκολία στην κατασκευή, η αξιοπιστία και η ευκολία χειρισμών από τον οδηγό είναι κύριες παράμετροι του σχεδιασμού. Κατά τη διάρκεια του διαγωνισμού ελέγχονται  Η συμμόρφωση με τους κανονισμούς  Η τήρηση των κανόνων ασφαλείας  Ο σχεδιασμός του οχήματος  Οι επιδόσεις του οχήματος, σε αγωνιστικό περιβάλλον Στην πλειονότητα των εξαρτημάτων έγινε ανάλυση, με στόχο την αύξηση της αντοχής, μείωση του βάρους, βελτίωση της απόδοσης αλλά και την μείωση του κόστους και της πολυπλοκότητας της κατασκευής. Ο δικός μας στόχος, με δεδομένη την έλλειψη εμπειρίας ενός τέτοιου διαγωνισμού ήταν ο αποκλεισμός της πιθανότητας να αποτύχουμε σε κάποια επιμέρους δοκιμασία και η συγκέντρωση εμπειριών για επόμενες συμμετοχές. Όλα αυτά βέβαια λειτουργώντας με περιορισμένους οικονομικούς πόρους λόγω της απροθυμίας των εταιρειών που απευθυνθήκαμε, αλλά και της σχολής, να προσφέρουν κάποια χορηγία για το έργο μας. Τελικά, το 2011 συμμετείχαμε σε δύο διαγωνισμούς, σε αυτόν της Ιταλίας και της Ουγγαρίας, πετυχαίνοντας το στόχο μας, κατακτώντας μάλιστα αξιόλογες θέσεις για πρωτοεμφανιζόμενη ομάδα. Στον διαγωνισμό της Ουγγαρίας κερδίσαμε την πρώτη θέση στην επί μέρους δοκιμασία του κόστους κατασκευής. 2 Αξίζει εδώ να αναφέρουμε ότι μεγάλο μέρος της κατασκευής έγινε από μελή της ομάδας, χρησιμοποιώντας τον εξοπλισμό του εργαστηρίου. Έτσι μπορέσαμε αφ ενός να διατηρήσουμε το κόστος χαμηλά, αφ ετέρου να αντιληφθούμε τη σχέση μεταξύ σχεδιασμού-κατασκευής-συναρμολόγησης-κοστολόγησης. Στην εργασία αναπτύσσονται διεξοδικά η μελέτη και κατασκευή του πλαισίου, της ανάρτησης και του ηλεκτρικού-ηλεκτρονικού συστήματος, καθώς και οι προσαρμογές του κινητήρα μοτοσυκλέτας σε ένα τετράτροχο όχημα. Αναλύονται οι στόχοι του σχεδιασμού στα παραπάνω επιμέρους στοιχεία του οχήματος, καθώς και οι δυσκολίες που αντιμετωπίστηκαν αλλά και οι τεχνικές που εφαρμόστηκαν για να ξεπεραστούν. Καταγράφεται επίσης το κόστος του εγχειρήματος, αλλά και χρήσιμα συμπεράσματα, καθώς και προτάσεις για μελλοντικές βελτιώσεις. Τέλος, στα παραρτήματα υπάρχουν τεχνικά σχέδια αλλά και φωτογραφίες, οι αναφορές του σχεδιασμού και της κοστολόγησης, όπως αυτές παρουσιάστηκαν στους διαγωνισμούς, αλλά και οι αναλυτικοί κανονισμοί FSAE.

This diploma thesis analyzes the design and manufacturing of a single seater racecar, which aimed to a successful participation in one of the Formula Student international competitions. This international competition has a history of 30 years. It started in USA, from SAE (Society of Automotive Engineers), and it was addressed to technical university students. Now it is a global event, held in 8-10 countries every year, with more than 500 entries. Most large motor companies sponsor their countries universities. National Technical University of Athens team, Prom Racing, was founded in 2008 and took its latest form in 2010. Designing and manufacturing a single seater race car, according to Formula Student regulations, focuses in creating a simple, ergonomic, lightweight and high performance vehicle. Compliance with regulations of SAE is necessary and is an important aspect of the project. Goals such as safety, ease of manufacture, reliability and ease of driver handling are the major objectives of the design. During the competition, the team is judged for:  Rules compliance  Safety precautions  Vehicle design  Vehicle performance under racing conditions The majority of the parts were analyzed in order to maximize strength, minimize weight, improve performance and reduce manufacturing cost and complexity. Our team’s goal, considering the lack of experience in such an environment, was to ensure that we could compete in every event of the competition and to collect as much experience as possible, for future competitions. Another constraint that had to be overtaken was the limited budget, due to the reluctance of companies and the university to sponsor our project. At last, we made it to participate in two competitions in 2011, Formula Student Hungary and FSAE Italy, achieving our goal. The vehicle was in accordance with every aspect of the regulations. In addition, we managed to take good rankings for a first-time team. In FS Hungary we took the 1st place in Cost and Manufacturing event. It should be emphasized that the biggest part of the car was manufactured by the team, using Vehicle Laboratory’s equipment. In that way, we kept the cost to a minimum and we understood the interaction between design-manufacture-assembly-cost. 4 In the thesis we explain in full detail the design and manufacture of the chassis, the suspension system, the electric and electronic circuits, as long as the modifications of the motorcycle engine in order to fit a four-wheel vehicle. We also present the difficulties in manufacturing and the techniques applied in order to overcome these difficulties. We also show the budget of the project, along with useful conclusions and recommendations for future development. Finally, in the appendix are quoted the designs, some photographs and the design and cost reports, as they were presented in the competitions.